軟土深基坑伺服鋼支撐布置型式與 施工工序優(yōu)化分析*

陳金銘 狄宏規(guī) 吳 強(qiáng) 陳 杰 林定雄 周曉宇 林如輝

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司， 315012， 寧波； 2.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久性與系統(tǒng)安全 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海； 3.宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 315700， 寧波∥第一作者， 高級(jí)工程師)

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展和城市軌道交通線路的成網(wǎng)，新建的軌道交通車站多位于建筑密集區(qū)，其場地狹小、環(huán)境復(fù)雜。為減小基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響，需嚴(yán)格控制基坑開挖變形[1]。眾多學(xué)者對(duì)軟土基坑開挖變形問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]發(fā)現(xiàn)上海軟土地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形形態(tài)呈“大肚狀”。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為合理的基坑施工工序組織能有效減小基坑開挖變形，伺服鋼支撐系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)千斤頂油壓，將支撐軸力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[4]的研究表明，伺服鋼支撐能有效減少軸力損失，控制基坑變形。但由于造價(jià)較高，目前伺服鋼支撐尚處于推廣階段，鮮見關(guān)于軟土深基坑伺服鋼支撐布置型式與施工工序的研究。

本文基于寧波軌道交通5號(hào)線大洋江站的工程建設(shè)，通過對(duì)比分析實(shí)測數(shù)據(jù)，研究伺服鋼支撐與普通鋼支撐兩種支撐效果間的差異。此外，采用三維有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)基坑伺服支撐設(shè)計(jì)方案及施工工序?qū)幼冃蔚挠绊戇M(jìn)行分析與優(yōu)化，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 大洋江站工程簡介

寧波軌道交通5號(hào)線大洋江站采用明挖順作法施工，主體基坑全長約為207.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為190.7 m，基坑深度約為16.280～16.641 m；南北兩側(cè)端頭井基坑的寬度為23.800 m，深度為17.955～18.367 m?；臃譃槠胀ㄤ撝味魏退欧撝味蝺刹糠郑淦矫娌贾萌鐖D1所示。由于周邊廠房對(duì)基坑周圍深層土體變形和地表沉降控制要求高，因而在對(duì)應(yīng)的北側(cè)基坑第三、五道支撐采用了伺服鋼支撐系統(tǒng)。該站基坑土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 大洋江站基坑平面布置示意圖Fig.1 Planar layout of Dayangjiang station foundation pit

表1 大洋江站基坑土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 基坑支護(hù)方案

大洋江站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度為800 mm、深度為37.4～44.2 m的地下連續(xù)墻，采用包括伺服鋼支撐、普通鋼支撐、混凝土支撐的混合支撐體系作為支護(hù)方案。該基坑標(biāo)準(zhǔn)段、端頭井段的剖面圖如圖2所示。

如圖2 a)所示，該基坑的標(biāo)準(zhǔn)段深16.460 m，在豎向從上至下設(shè)置五道內(nèi)支撐。其中：第一道為混凝土支撐；第三、四、五道為φ800 mm鋼支撐；第二道為φ609 mm鋼支撐。

如圖2 b)所示，該基坑南端頭井深18.000 m，北端頭井深18.420 m。兩端頭井在豎向從上至下均設(shè)置六道內(nèi)支撐，其中：第一道為混凝土支撐；第三、四、六道為φ800 mm鋼支撐；第二道為φ609 mm鋼支撐。大洋江站基坑中所有鋼支撐的壁厚均為16 mm。

如圖1所示，該基坑在距南端頭井100.9 m處起開始設(shè)伺服鋼支撐段。其中，伺服鋼支撐標(biāo)準(zhǔn)段的第三、五道支撐及北端頭井第四、六道支撐采用伺服系統(tǒng)。

2 基坑水平變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 不同支撐段在開挖完成時(shí)最大累計(jì)水平變形

在大洋江站的南北方向每隔20～30 m布設(shè)1個(gè)測斜點(diǎn)(如圖3所示)，測斜點(diǎn)共計(jì)20個(gè)，分別編號(hào)為CX1—CX20。本文取向坑內(nèi)方向的水平變形為正，向坑外方向的水平變形為負(fù)，地下連續(xù)墻各監(jiān)測點(diǎn)斷面的最大累計(jì)水平變形如圖4所示。

圖4中，伺服鋼支撐段CX06—CX08、CX12—CX14上測點(diǎn)的最大累計(jì)水平變形整體小于普通鋼支撐段CX02—CX04、CX16—CX18上測點(diǎn)的最大累計(jì)水平變形。離普通支撐段距離越遠(yuǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的最大累計(jì)水平變形越小。伺服鋼支撐段的各測點(diǎn)中，CX12的最大累計(jì)水平變形最小，其變形量為49.75 mm；CX06的最大累計(jì)水平變形最大，其變形量為101.12 mm?？梢?，伺服鋼支撐以“零位移發(fā)展”為工作理念，采取“軸力-位移雙控”的工作方式，可根據(jù)地下連續(xù)墻的變形和支撐軸力實(shí)時(shí)調(diào)整軸力，與預(yù)加軸力安裝的普通鋼支撐相比具有更好的支撐效果。

尺寸單位：m

圖3 地下連續(xù)墻各測點(diǎn)布置示意圖

a) 基坑西側(cè)各測點(diǎn)的最大累計(jì)水平變形

b) 基坑?xùn)|側(cè)各測點(diǎn)的最大累計(jì)水平變形圖4 地下連續(xù)墻東西側(cè)各測點(diǎn)最大累計(jì)水平變形圖

2.2 不同支撐段在不同施工階段下的水平變形分析

本文選取伺服鋼支撐段的測點(diǎn)CX13與普通鋼支撐段的測點(diǎn)CX17，對(duì)比基坑開挖過程中鋼支撐架設(shè)及基坑開挖完成各施工階段下2個(gè)測點(diǎn)的累計(jì)水平變形量，如圖5所示。從圖5可以看出，這2個(gè)測點(diǎn)在各施工階段下的累計(jì)水平變形量均增長較大，這是由于伺服鋼支撐與普通鋼支撐沿基坑深度方向相隔布置，相鄰支撐間協(xié)調(diào)關(guān)系差，不能完全發(fā)揮伺服鋼支撐的變形控制作用。普通鋼支撐也因此存在更大的軸力損失風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致支撐脫空。

圖5 測點(diǎn)CX13和CX17在不同施工階段下的累計(jì)水平變形

3 優(yōu)化方案的有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

本文對(duì)上述支撐方案進(jìn)行優(yōu)化。采用商業(yè)有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D對(duì)基坑開挖全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型沿x(水平面的南北向)、y(水平面的東西向)、z(深度方向)3個(gè)方向的尺寸分別為310 m、130 m、50 m，以消除模型的邊界影響[5]。土體本構(gòu)模型采用Plaxis 3D軟件自帶的小應(yīng)變土體硬化模型。土層參數(shù)根據(jù)大洋江站地勘報(bào)告取值。

該有限元模型中：地下連續(xù)墻采用板單元模擬；通過界面來模擬土體與地下連續(xù)墻的接觸作用；混凝土支撐采用梁單元模擬；普通鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬；車站主體混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性實(shí)體單元模擬；采用施加了預(yù)應(yīng)力的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿和點(diǎn)荷載組合來模擬伺服鋼支撐。

基坑開挖數(shù)值模擬工況根據(jù)大洋江站車站實(shí)際明挖法施工過程設(shè)置：首先，基坑全斷面先開挖至第二道鋼支撐位置；接著，普通鋼支撐段階梯狀開挖至標(biāo)準(zhǔn)段第五道支撐、南端頭井第六道支撐位置；最后，全斷面依次開挖至基坑坑底。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.2.1 模型驗(yàn)證

提取Plaxis 3D模型模擬得到的測點(diǎn)CX13處的累計(jì)水平變形值，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。從變形量上看，數(shù)值模擬得到CX13的最大累計(jì)水平變形為53.46 mm，略小于實(shí)測數(shù)據(jù)的55.69 mm，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的變形絕對(duì)值差異很?。粡淖冃吻€看，CX13的水平變形數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測的水平變形規(guī)律大致相當(dāng)，故可認(rèn)為所建模型可靠。

圖6 測點(diǎn)CX13在實(shí)測和數(shù)值模擬下的累計(jì)水平變形對(duì)比

3.2.2 施工工序優(yōu)化方案分析

3.2.2.1 施工工序優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

深大基坑開挖導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力場和位移場重新分布。通過優(yōu)化基坑的分區(qū)開挖及開挖次序，可減小基坑開挖引起的地層變形[6]。為充分發(fā)揮伺服鋼支撐的支撐作用，本文考慮盡早開挖、施作伺服鋼支撐，進(jìn)而對(duì)大洋江站的施工工序進(jìn)行優(yōu)化。

1) 原施工工序?yàn)椋夯诱w開挖至第二道支撐位置后，先分層開挖普通鋼支撐段基坑，再分層開挖伺服鋼支撐段基坑。

2) 優(yōu)化后施工工序?yàn)椋夯诱w開挖至第二道支撐位置后，先分層開挖伺服鋼支撐段基坑，再分層開挖普通鋼支撐段基坑。

優(yōu)化前后2個(gè)施工方案中，伺服鋼支撐段基坑的第三、五道均為伺服鋼支撐，伺服鋼支撐的軸力均為2 000 kN。

3.2.2.2 施工工序優(yōu)化結(jié)果分析

選取標(biāo)準(zhǔn)段中普通鋼支撐段的CX18～CX15、伺服鋼支撐段CX14～CX12區(qū)段，對(duì)優(yōu)化前后2個(gè)施工方案中各測點(diǎn)的最大累計(jì)水平變形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

a) 普通鋼支撐段測點(diǎn)

b) 伺服鋼支撐段測點(diǎn)

由圖7可知，從水平變形看，施工工序優(yōu)化后取得了一定的變形控制效果；從優(yōu)化效果上看，施工工序優(yōu)化后，普通鋼支撐段CX18～CX15區(qū)段4個(gè)測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大累計(jì)水平變形分別減小了3.62 mm、4.05 mm、1.16 mm、0.59 mm，平均減小了2.36 mm；伺服鋼支撐段CX14～CX12區(qū)段3個(gè)測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大累計(jì)水平變形分別減小了4.64 mm、1.25 mm、0.68 mm，平均減小了2.19 mm。由此，較原施工工序，優(yōu)化施工工序后在基坑標(biāo)準(zhǔn)段的變形平均減小了2.29 mm。

3.2.3 支撐布置優(yōu)化方案分析

3.2.3.1 支撐布置優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

在原施工方案中，伺服鋼支撐隔道布置，相鄰兩道伺服鋼支撐(第三、第五道支撐)間的普通鋼支撐(第四道支撐)軸力易損失，不能正常發(fā)揮其支撐作用，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致支撐脫空。因此，應(yīng)避免普通鋼支撐和伺服鋼支撐的間隔設(shè)計(jì)[8]?？紤]到基坑變形主要發(fā)生在接近坑底位置，為發(fā)揮相鄰支撐間的協(xié)調(diào)作用，減小基坑開挖對(duì)深層土體側(cè)向變形和坑外地表沉降的影響，考慮在基坑開挖順序優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)基坑伺服鋼支撐段標(biāo)準(zhǔn)段的伺服鋼支撐布設(shè)方式進(jìn)行調(diào)整。

1) 原施工方案：采用原施工工序，并在第三道和第五道采用伺服鋼支撐。

2) 優(yōu)化施工工序方案：采用優(yōu)化后施工工序，但保留原施工方案的支撐布置，在第三道和第五道采用伺服鋼支撐。

3) 支撐優(yōu)化方案一：采用優(yōu)化后施工工序，改為在第四道和第五道采用伺服鋼支撐。

4) 支撐優(yōu)化方案二：采用優(yōu)化后施工工序，改為在第三道和第四道采用伺服鋼支撐。

3.2.3.2 支撐布置優(yōu)化結(jié)果與分析

提取原施工方案、支撐優(yōu)化方案一、支撐優(yōu)化方案二3種方案中在測點(diǎn)CX13處的累計(jì)水平變形進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 3種支撐方案下測點(diǎn)CX13的水平累計(jì)變形對(duì)比

由圖8可知，從水平變形看，伺服鋼支撐由相隔布置改為相鄰布置后，取得了明顯的變形控制優(yōu)化效果。原支撐方案下CX13的最大水平累計(jì)變形為52.34 mm；支撐優(yōu)化方案一下CX13的最大水平累計(jì)變形為50.81 mm，與原支撐方案相比減少了2.92%；支撐優(yōu)化方案二下CX13的最大水平累計(jì)變形為40.59 mm，與原支撐方案相比減少了22.44%。

此外，GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：對(duì)于一級(jí)基坑，若采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻體水平變形最大值的絕對(duì)值應(yīng)小于40～50 mm，或應(yīng)小于0.4%～0.5%的基坑深度控制值。本基坑為一級(jí)基坑，標(biāo)準(zhǔn)段的開挖深度為16.280～16.641 m，按規(guī)范要求計(jì)算得到的控制值為65.120～83.205 mm，因此，上述各方案均滿足規(guī)范要求。

3.2.4 地表沉降分析

針對(duì)原施工方案、優(yōu)化施工工序方案、支撐優(yōu)化方案一、支撐優(yōu)化方案二4種方案，對(duì)距地下連續(xù)墻50 m范圍內(nèi)的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 基坑?xùn)|側(cè)地下連續(xù)墻附近地表沉降圖

由圖9可知，所施加的伺服鋼支撐荷載擠壓了墻后土體，由于軟土具有流變性，4種方案下基坑外土體在距地下連續(xù)墻約1 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)了小范圍的隆起。原施工方案下，坑外地表沉降在距離地下連續(xù)墻14.27 m處最大，沉降值為21.37 mm；對(duì)施工工序進(jìn)行優(yōu)化后，優(yōu)化施工工序方案、支撐優(yōu)化方案一、支撐優(yōu)化方案二的坑外地表沉降分別在距離地下連續(xù)墻14.11 m、14.06 m、14.27 m處達(dá)到最大值，沉降值分別為23.45 mm、22.71 mm、14.20 mm。由此可見，支撐優(yōu)化方案二的地表沉降控制效果最好。

對(duì)圖9中的4種施工方案下產(chǎn)生的最大地表沉降、地下連續(xù)墻最大水平累計(jì)變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，二者的關(guān)系如表2所示。DG/TJ 08-61—2018《上海基坑工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：因基坑開挖引起的建筑物容許總沉降量建議取值為40 mm，因此表2中4種施工方案的地表沉降均滿足規(guī)范要求。支撐優(yōu)化方案二下，最大地表沉降與地下連續(xù)墻最大水平變形均最小，且最大地表沉降值與最大累計(jì)水平變形值的比值也最小，這進(jìn)一步說明了該方案對(duì)地表沉降的控制程度最好。

表2 地下連續(xù)墻最大累計(jì)水平變形與最大地表沉降的對(duì)比

4 結(jié)語

1) 伺服鋼支撐段地下連續(xù)墻的水平變形比普通鋼支撐段地下連續(xù)墻的水平變形小。與預(yù)加軸力安裝的普通鋼支撐相比，伺服鋼支撐可根據(jù)地下連續(xù)墻的變形實(shí)時(shí)調(diào)整軸力，具有更好的支撐效果。

2) 案例車站基坑施工工序調(diào)整為先開挖伺服鋼支撐段后，一定程度上減小了基坑變形：普通鋼支撐段地下連續(xù)墻最大水平累計(jì)變形平均減小了2.36 mm，伺服鋼支撐段地下連續(xù)墻最大水平累計(jì)變形平均減小了2.19 mm。對(duì)于變形控制嚴(yán)格的軟土深基坑，可以通過調(diào)整施工工序來控制深層土體側(cè)向變形和坑外地表沉降。

3) 在伺服鋼支撐段，將伺服鋼支撐改為相鄰布置，能充分發(fā)揮相鄰支撐間的協(xié)調(diào)作用，基坑變形控制效果更好。與原施工方案相比，支撐優(yōu)化方案二的效果最佳，地下連續(xù)墻側(cè)向變形減少了22.44%。在伺服鋼支撐投入使用數(shù)量相同、軸力相同的情況下，合理的支撐體系設(shè)計(jì)能更好地發(fā)揮伺服鋼支撐的應(yīng)用價(jià)值。

4) 支撐優(yōu)化方案二的地表沉降控制效果最好。但地下連續(xù)墻最大地表沉降并非隨著地下連續(xù)墻最大水平變形的減小而降低，而是與地下連續(xù)墻的整體變形水平有關(guān)。選用合理的施工順序和支撐布置形式可以有效控制地下連續(xù)墻水平變形和地表沉降。